(57)【要約】【課題】本発明によれば、起動特性に優れた燃料電池システムを提供することである。【解決手段】燃料電池スタックと、燃料電池内部の温度を計測する燃料電池温度センサと、燃料電池の発電電圧を計測する電圧センサと、燃料電池から流れる電流を計測する電流センサと、燃料電池で発生する熱を放熱するためのラジエタと、ラジエタに付属して放熱量を制御するファンと、冷却流体を昇圧する冷却水ポンプと、ラジエタへ流入する冷却流体量を制御するバイパスバルブと、前記電圧センサで計測された電圧情報と、前記温度センサで計測された温度情報と、前記電流センサで計測された電流情報に基づいて、冷却水ポンプの動作量とファンの動作量とバイパスバルブを流れる冷却流体量とのうち少なくとも一つを制御する制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池システムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、燃料電池内部の温度を計測する燃料電池温度センサと、燃料電池の発電電圧を計測する電圧センサと、
燃料電池から流れる電流を計測する電流センサと、
燃料電池で発生する熱を放熱するためのラジエタと、ラジエタに付属して放熱量を制御するファンと、
冷却流体を昇圧する冷却水ポンプと、
ラジエタへ流入する冷却流体量を制御するバイパスバルブと、
前記電圧センサで計測された電圧情報と、前記温度センサで計測された温度情報と、前記電流センサで計測された電流情報に基づいて、冷却水ポンプの動作量とファンの動作量とバイパスバルブを流れる冷却流体量とのうち少なくとも一つを制御する制御部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
金属材料をセパレータに用いて形成した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの内部の温度を計測する燃料電池温度センサと、
燃料電池の発電電圧を計測する電圧センサと、
燃料電池から流れる電流を計測する電流センサと、
燃料電池で発生する熱を放熱するためのラジエタと、
ラジエタに付属して放熱量を制御するファンと、
冷却流体を昇圧する冷却水ポンプと、
ラジエタへ流入する冷却流体量を制御するバイパスバルブと、
発電により生じた水を空気に添加する加湿器を配したカソードラインと、
水素を供給するアノードラインと、
システム内の補機動作を制御する制御器を有し、
電圧センサで計測された電圧情報と、温度センサで計測された温度情報と、電流センサで計測された電流情報とから制御部が判断することにより、冷却水ポンプの動作量とファンの動作量とバイパスバルブを流れる冷却流体量との少なくともひとつを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池スタック電圧Ｖの時間ｔに対する変位量ｄＶ／ｄｔがｄＶ／ｄｔ＜０かつ、
燃料電池スタック温度Ｔの時間ｔに対する変位量ｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ＞０かつ、
燃料電池スタック電流Ｉの時間ｔに対する変位量ｄＩ／ｄｔがｄＩ／ｄｔ≧０であるとき
前記制御部によって冷却水ポンプの動作量とファンの動作量、バイパスバルブを流れる冷却流体量との少なくとも一つ変化させ、燃料電池から外部へ放出する熱量を増加する方向へ制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池スタック電圧Ｖの時間ｔに対する変位量ｄＶ／ｄｔがｄＶ／ｄｔ＜０かつ、
燃料電池スタック温度Ｔの時間ｔに対する変位量ｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ＞０かつ、
燃料電池スタック電流Ｉの時間ｔに対する変位量ｄＩ／ｄｔがｄＩ／ｄｔ≧０であるとき
前記制御部によって冷却水ポンプの動作量とファンの動作量とバイパスバルブを流れる冷却流体量に対するラジエータへの冷却流量の比との少なくとも一つを増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池スタック電圧Ｖの時間ｔに対する変位量ｄＶ／ｄｔがｄＶ／ｄｔ＞０かつ、
燃料電池スタック温度Ｔの時間ｔに対する変位量ｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ＜０であるとき
制御部によって冷却水ポンプの動作量とファンの動作量、バイパスバルブを流れる冷却流体量の少なくともひとつを変化させ、燃料電池から外部へ放出する放熱量を減少する方向へ制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池スタック電圧Ｖの時間ｔに対する変位量ｄＶ／ｄｔがｄＶ／ｄｔ＞０かつ、
燃料電池スタック温度Ｔの時間ｔに対する変位量ｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ＜０であるとき
前記制御部によって冷却水ポンプの動作量とファンの動作量とバイパスバルブを流れる冷却流体量に対するラジエータへの冷却流量の比との少なくとも一つを減少させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
定格発電時のスタック温度設定値Ｔｃに対し、現在温度ＴがＴ＜Ｔｃ−５の範囲のときに冷却部の動作駆動を繰り返し行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池を用いた発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は電気化学反応により燃料のエネルギーを直接電気エネルギーへ変換する電気化学デバイスである。燃料電池は用いる電荷担体等により、リン酸形燃料電池，溶融炭酸塩形燃料電池，固体酸化物形燃料電池，固体高分子形燃料電池（以下ＰＥＦＣと略する），アルカリ形燃料電池に大別される。
【０００３】
これらの各種燃料電池の中でもＰＥＦＣは、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能であるため、移動体電源をはじめ、各種用途への応用が期待されている。
【０００４】
ＰＥＦＣの電解質には、膜厚数十から百数十μｍのイオン交換膜を用いる。イオン交換膜は、主鎖を構成するフルオロカーボンに、スルホン酸基を有する側鎖が結合した構造が一般的である。イオン交換膜はプロトン伝導性を有するが、そのためには膜材料に水分を含有しなければならない。これは、スルホン酸基が材料内でクラスター構造をとり、クラスター同士がチャネルによって連結しチャネル内をプロトン（Ｈ3Ｏ+）が伝導することにより本材料はプロトン伝導性を呈するが、このメカニズムに従うためには水の存在が必須であるからである。
【０００５】
そのため、ＰＥＦＣを動作させる際には供給するガスに電解質を加湿させるための水分を含有させる方式が一般的である。ＰＥＦＣ発電時は、その化学反応により水を生成する。回収した生成水を加湿水として使用できれば、外部からの供給水を不要とするシステムが構成でき、構成機器類の単純化が可能となる。
【０００６】
構成機器が単純化できれば製作コストが低減するだけでなく、システム容積も小さくでき、特にＰＥＦＣを移動体用電源として用いる場合に利点は大きくなる。
【０００７】
燃料電池システムの使い勝手を向上させるためには、速やかな起動特性をもつことが好ましい。
【０００８】
システムの起動を高速に行うためには、電池温度を速やかに設定温度まで上昇させる必要がある。電池を昇温させるヒータ機構などを別途設ける場合、効率や容積の点で著しく非効率的となるため、一般に移動体電源には搭載することが難しい。よって、特別な電池昇温機構が無いシステムにおいて、電池を昇温させる熱源は、発電によって生じる熱を利用することになる。燃料電池を構成するために通常、主要材料の一つであるセパレータは数百枚使用される。その厚みが数ｍｍ以上と比較的厚いカーボン製セパレータを用いた場合、燃料電池は積層方向に長くなる。同時にスタックの容積増大に伴い熱容量も大きくなる。すなわち発電時の温度は上昇速度が遅く、急速起動は困難となる。
【０００９】
低温での起動特性の向上を目的としたものに特許文献１がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１９０７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明では、起動特性に優れた燃料電池システムを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
燃料電池スタックと、燃料電池内部の温度を計測する燃料電池温度センサと、燃料電池の発電電圧を計測する電圧センサと、
燃料電池から流れる電流を計測する電流センサと、
燃料電池で発生する熱を放熱するためのラジエタと、ラジエタに付属して放熱量を制御するファンと、
冷却流体を昇圧する冷却水ポンプと、
ラジエタへ流入する冷却流体量を制御するバイパスバルブと、
前記電圧センサで計測された電圧情報と、前記温度センサで計測された温度情報と、前記電流センサで計測された電流情報に基づいて、冷却水ポンプの動作量とファンの動作量とバイパスバルブを流れる冷却流体量とのうち少なくとも一つを制御する制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、起動特性に優れた燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明にかかる実施の形態を説明する。
【００１５】
第１に金属材料をセパレータに用いて形成した燃料電池スタックと、燃料電池内部の温度を計測する燃料電池温度センサと、燃料電池の発電電圧を計測する電圧センサと、燃料電池から流れる電流を計測する電流センサと、燃料電池で発生する熱を放熱するためのラジエタと、ラジエタに付属して放熱量を制御するファンと、冷却流体を昇圧する冷却水ポンプと、ラジエタへ流入する冷却流体量を制御するバイパス部と、発電により生じた水を空気に添加する加湿器を配したカソードラインと、水素を供給するアノードラインと、システム内の補機動作を制御する制御器を有し、電圧センサで計測された電圧情報と、温度センサで計測された温度情報と、電流センサで計測された電流情報とから制御部が判断することにより、冷却水ポンプとファン，バイパス部を流れる冷却流体量を制御することを特徴とする燃料電池システムを提案する。
【００１６】
燃料電池は使用している電解質膜の性質から、電池内部の水分が減少すると電池性能が低下する特性を有する。温度変化が特に激しい起動時においても上記構成を有するシステムとすることによって、電池温度を細かく制御でき、電池内の蒸気圧をコントロールすることによって、電解質膜の水分を過度に減少させることなく、電池特性の安定化が可能になる。
【００１７】
第２に制御部が、燃料電池スタック電圧Ｖの時間ｔに対する変位量ｄＶ／ｄｔがｄＶ／ｄｔ＜０、燃料電池スタック温度Ｔの時間ｔに対する変位量ｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ＞０、燃料電池スタック電流Ｉの時間ｔに対する変位量ｄＩ／ｄｔがｄＩ／ｄｔ≧０であるとき冷却水ポンプとファン，バイパス部を流れる冷却流体量を変化させ、燃料電池から外部へ放出する熱量を増加する方向へ制御するシステムを提案する。
【００１８】
一実施例としては、冷却水ポンプの動作量とファンの動作量とバイパスバルブを流れる冷却流量に対するラジエータへ流れる冷却流量の比の少なくとも一つ増加させる。
【００１９】
本制御方法を用いると、電池内部の乾燥状態が電池特性に影響を与えるごく初期のタイミングで温度を制御し、電池内部の水分量をコントロールできるため、特に起動時の電池温度変化が大きいときでも、電池特性の低下が生じにくく、電池挙動が安定する。
【００２０】
さらに第３に、燃料電池スタック電圧Ｖの時間ｔに対する変位量ｄＶ／ｄｔがｄＶ／
ｄｔ＞０、燃料電池スタック温度Ｔの時間ｔに対する変位量ｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ＜０であるとき冷却水ポンプとファン，バイパス部を流れる冷却流体量を制御することを提案する。本方法をもって電池温度を必要程度冷却したと判断し、ポンプやファンの動作量変化により冷却効果を調整することで電池温度を必要以上に低下させること無く、つまりフラッディングの原因となる凝縮水を生じさせず、かつ電池性能安定化に必要な最低限の冷却は実施することにより、システムの高速起動を可能としている。
【００２１】
一実施例としては、冷却水ポンプの動作量とファンの動作量とバイパスバルブを流れる冷却流体量に対するラジエータへの冷却流量の比との少なくとも一つを減少させる。
【００２２】
さらに第４に、定格発電時のスタック温度設定値Ｔｃに対し、現在温度ＴがＴ＜Ｔｃ−５の範囲のときに冷却部の動作駆動を繰り返し行うことを提案する。
【００２３】
起動時にスタックおよび補機の温度変化が大きいのは当然であるが、定格条件で発電した後、部分負荷条件で発電するときには、発熱量が減少するため、Ｔｃにて設定した温度は維持できず、スタック温度は低下する。さらにその後、再び定格条件で発電すると、スタックの温度上昇が大きくなるため、起動時と同様の条件になる。本提案により、起動時だけでなく、発電条件の変化によるスタックの急激な温度変化にも対応して電池の安定運転が可能になる。
【００２４】
燃料電池発電に伴う生成水を利用した自己加湿方式を用いたシステムの場合、起動直後は生成水の回収量が少なく、自己加湿が十分に行われないため、電池の性能が低下したり、不安定になることもあるが、本発明の実施例によれば、発電時の生成水を回収し供給するガスへ添加する加湿方式を採用した燃料電池発電システムにおいても、短時間で起動でき、かつ発電電圧が安定した動作が可能となる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施例１）
パーフオロカーボンスルホン酸系の電解質膜と、白金粒子をカーボン担体に担持させた触媒を主成分とする電極とを一体化した電極電解質膜を中心として、その表裏面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を表面に分散させ撥水性を制御したカーボンペーパーであるカソード拡散層，アノード拡散層を配置し、さらに金属セパレータをその両側に配置して、発電セルの基本構成と成した。本発電セルを１２０セルおよび冷却水を流通させ電池温度を下げるための冷却セルを６０セル組み合わせることにより、スタック１を作製した。
【００２７】
水素を供給するアノードライン２と、生成水を回収し加湿するための水透過膜からなる加湿器５を備えたカソードライン４と、冷却水を送水する冷却水ポンプ１０，ファン８を付属したラジエタ７，バイパス部１１およびその流量を制御するバイパスバルブ９を有する冷却ラインをスタック１に接続した。スタック１から出力を取り出す出力線１６には電流センサ１４を取り付けた。スタックを構成する電池の電圧を測定するため、電圧センサ１２を１０セルごとにセパレータへ接続した。温度センサ１３はスタックほぼ中央位置の電極中心部に配置させ、発電中のスタック内最高温度を検出できるようにした。ここで、電圧センサ１２は今回１０セルを纏めて電圧測定しているが、全てのセルを個別に測定しても、１０セル以上、例えば２０セルあるいはそれ以上の発電セル電圧を纏めて測定しても問題ない。それぞれのセンサ情報は制御部１５へ接続し、制御部１５は各センサからの情報をもとに冷却水ポンプ，バイパスバルブ，ファンの動作および動作量をコントロールする。本システムの構成図を図１に示した。
【００２８】
制御部１５の動作指示内容は以下とした。
【００２９】
発電を開始しているスタックの電圧Ｖの時間ｔに対する変位量ｄＶ／ｄｔがｄＶ／ｄｔ＜０、かつ、スタックの温度Ｔの時間ｔに対する変位量ｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ＞０、かつスタック電流Ｉの時間ｔに対する変位量ｄＩ／ｄｔがｄＩ／ｄｔ≧０であるとき冷却水ポンプを稼動あるいは動作量を増大させて冷却水送水量を増やし、スタック電圧Ｖの時間ｔに対する変位量ｄＶ／ｄｔがｄＶ／ｄｔ＞０、かつスタック温度Ｔの時間ｔに対する変位量ｄＴ／ｄｔがｄＴ／ｄｔ＜０、であるとき冷却水ポンプ１０を停止あるいは動作量を低下させ、冷却水送水量を減少させた。
【００３０】
また、定格発電時におけるスタック温度設定値ＴＣ＝７０℃に対し、現在温度Ｔが６５℃以下のときには、温度コントロールはファンの動作のみで実施するように設定した。
【００３１】
以上の内容を制御部に記憶させ、スタック温度が室温の状態から、４５ｋＰａの一定圧力にコントロールされた水素、および２５０Ｌ／min の空気を供給し、スタック電圧が
１１０Ｖ以上に上昇したことを確認したら定格電流負荷５５Ａを加え、システムを起動させた。電流は一定に保ちながら、電流を流し始めた瞬間をｔ１として、ｔ１からの時間とスタック電圧値およびスタック温度を計測した。なお、電流を流し始めた時点では冷却動作は何も行っていない。
【００３２】
（比較例１）
比較例１のシステム構成を図２に示す。比較例１は実施例１とほぼ同様の構成であるが、冷却水ポンプ，バイパスバルブ，ファンをコントロールする制御部１５は温度センサにより計測されたスタック温度Ｔを基に判断して、その動作および動作量を制御している。
【００３３】
比較例１のシステムを実施例１と同様の内容により発電試験を実施した。
【００３４】
（比較例２）
比較例１と同様の構成であり、起動時に所定の温度上昇率でスタック温度を設定動作温度ＴＣまで昇温させる制御法を、制御部１５に記憶させたシステムを比較例２とした。
【００３５】
比較例２のシステムを実施例１と同様の内容により発電試験を実施した。比較例２の発電試験で用いた所定の温度上昇率は、実施例１が起動から温度ＴＣに達するまでの時間と同じとなる値に設定した。
【００３６】
図３に実施例１のシステムを用いて発電試験を実施した際の起動時におけるスタック電圧と時間の関係を示す。実施例１システムに水素と空気を供給し、定格負荷を加えた時点がｔ１であり、このとき電圧は各種の抵抗成分のため電流に応じて低下している。また発電開始に伴う発熱のため、スタック温度は徐々に上昇している。ｔ２においてスタック電圧がそれまでより低下したため、制御部は発電に伴う電池温度上昇によりスタック内の相対湿度が低下したと判断し、電解質膜を湿潤させるために冷却を開始した。ｔ３において、冷却の効果により電圧が上昇したため、必要最小限の冷却工程は完了したと判断し制御部は冷却を停止している。冷却を実施したｔ２からｔ３の間、スタック温度も低下していることが確認できる。ｔ３からｔ４の間は再び発熱により温度が上昇している時間帯であり、ｔ４においてスタック電圧が低下した時点で制御部の判断により冷却を再び開始している。その結果、スタック温度は低下し、ｔ５においてスタック電圧の上昇を検知したため制御部は冷却動作を停止している。ｔ６においても同様の制御を繰り返しているが、この時点で発電温度設定値に十分近づき、冷却水温度も高くなったため、ｔ６以降はスタック電圧が上昇しても冷却動作は実行し続けている。時間ｔｓにおいて設定温度ＴＣに到達している。本実験ではｔ１からｔｓまでは４８０秒であった。スタック温度はさらに上昇し、ｔ７において水温を下げるための動作、この構成の場合ではラジエタ設置のファンを稼動し始めている。ｔ８で十分温度が低下した時点までファン稼動は続けられており、以降はこの繰り返しとなっている。
【００３７】
図４に比較例１のシステムを用いて発電試験を行った場合の起動データを示す。比較例１は温度情報を取り込んで最短時間で設定温度まで上昇させる制御方法のため、スタートからＴＣ（７０℃）までの到達時間（ｔ１からｔｓ２）は１７５秒であり、急速な温度上昇が可能であった。しかし、この間、電池温度上昇に見合うだけの水分供給が不十分であったため、電池内部は相対湿度が大きく低下した。それにより電解質膜の水分が電池系外へ持ち去られたとみられ、電池電圧は大きく低下し、ゼロあるいはそれ以下まで低下している。温度が７０℃以上になったところで冷却動作が開始され、スタック温度も低下して電圧が一時的に回復しているが、温度上昇の局面では再び電圧はゼロあるいはそれ以下まで低下した。すなわち比較例１では設定温度まで上昇させる時間は短かったものの、発電続行は不可能であった。
【００３８】
図５に比較例２のシステムを用いて発電試験を行った場合の起動データを示す。比較例２では起動から温度上昇率を一定となるように冷却系動作をコントロールした結果、発電設定温度まで達する時間ｔｓは実施例１と同等の４８０秒となった。しかし比較例２では時間が経過するに従い、電圧が小刻みに変化している。これは電池温度を冷却により過度に抑制したため、電池内部で加湿水あるいは生成水が凝縮し、反応ガスの拡散を妨げる結果、燃料電池を構成しているいくつかの単位セルの電圧が大きく低下したためである。つまり比較例２では起動時間は実施例１と同等なものの、発電安定性の点では十分とは言えず、起動特性は良好でない。
【００３９】
以上の結果より、本提案のシステム構成および制御を実施した実施例１は、簡略なシステム構成にも関わらず、停止状態から設定温度までの起動時間を短縮でき、およびその間における発電電圧の安定性が高く、起動特性に優れていることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に関わる実施例１の発電システム構成の一部を示す図である。
【図２】本発明に関わる比較例１および２の発電システム構成の一部を示す図である。
【図３】本発明に関わる実施例１の起動時における発電試験結果を示す図である。
【図４】本発明に関わる比較例１の起動時における発電試験結果を示す図である。
【図５】本発明に関わる比較例２の起動時における発電試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…スタック、２…アノードライン、４…カソードライン、５…加湿器、６…冷却ライン、７…ラジエタ、８…ファン、９…バイパスバルブ、１０…冷却水ポンプ、１１…バイパス部、１２…電圧センサ、１３…温度センサ、１４…電流センサ、１５…制御部、
１６…出力線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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